В действительности тяговые характеристики Р25-300 превзошли заданные, что позволило увеличить, например, скороподъемность машины почти 1,6 раза, доведя ее до 235 м/с у земли (при скорости, соответствующей числу М= 0,9).

Следует отметить, что к тому времени практически все резервы планера, включая его внутренние объемы, были исчерпаны. Уровень технологии приборостроения и элементная база радиоэлектронного оборудования (авионики) не позволяли тогда существенно улучшить параметры радиолокационного прицела столь небольших размеров и расширить боевые возможности машины. Исключение составили лишь управляемые ракеты, но и здесь выбор был невелик.

В 1968 году на вооружение приняли ракету Р-55 с инфракрасной системой самонаведения и дальностью пуска до 10 км. Р-55 включили в состав вооружения МиГ-21бис, но она так и не стала массовой, уступив место Р-60.

По сравнению с МиГ-21 предыдущих модификаций, на "бисе" модернизировали крыло, усовершенствовали бортовое оборудование, значительно увеличили номенклатуру бортового вооружения. В состав оборудования самолета входили радиолокационный прицел "Сапфир-21"; оптический прицел АСП-ПФД-21; пилотажно-навигационный комплекс ПНК "Полет-ОИ", включающий систему автоматического управления СВУ-23ЕСН; систему ближней навигации и посадки РСБСН-5С и антенно-фидернау "Пион-Н". На самолете сохранились помехозащищенная линия связи "Лазурь", обеспечивающая взаимодействие с наземной автоматизированной системой управления "Воздух-1"; катапультное кресло КМ-1 или КМ-1М, приемник воздушного давления ПВД-18.

В 1972-м Горьковский авиационный завод построил первые тридцать пять МиГ-21 бис, и в том же году самолет приняли на вооружение. Истребитель завоевания превосходства в воздухе МиГ-21бис по сравнению самолетами предыдущих модификаций имеет лучшие маневренные и разгонные характеристики, большую скороподъемность. Маневренность самолета приближается к соответствующим характеристикам зарубежных истребителей четвертого поколения F-15, F-16, "Мираж" 2000. ЭПР самолета близка к аналогичному параметру истребителя F-16.

С 1972 по 1985 годы было выпущено 2013 МиГ-21бис в трех главных комплектациях: изделие "75" - для ВВС и авиации ПВО СССР, "75А" - для социалистических стран и "75Б" для капиталистических и развивающихся государств. Но и здесь были вариации. Так, для ПВО машины комплектовались аппаратурой наведения "Лазурь", другие - системой слепой посадки, допускавшей заход на ВПП при облачности высотой не ниже 100 м и видимости до 1000 м.Экспортные "бисы" комплектовались РАС "Алмаз" (видимо, доработанная ЦД-30, разработанная на НПО "Алмаз", с возможностью применения ракет Р-ЗР и Р-13М) с дальностью обнаружения цели (ЭПР = 5 м2) 14 км и автосопровождения - 10 км. Самолет допускал применение УР Р-55 и Р-60.

Единственной страной освоившей производство МиГ-21бис (тип "75Л") была Индия. Для начала туда поставили шесть самолетов этого типа и 65 комплектов агрегатов и деталей для сборки на заводе корпорации HAL в городе Насик.

В середине 1982 года появилось предложение о включении в состав вооружения МиГ-21бис усовершенствованных самонаводящихся ракет ближнего боя Р-60М.

На базе МиГ-21 было сделано немало летающих лабораторий для различных исследований. Не исключением стал и МиГ-21бис. Можно отметить машину, предназначавшуюся для исследований воздухозаборного устройства. На самолете (заводской No. 75002198), в дополнение к штатным противопомпажным створкам, на всей образующей обечайки воздухозаборника установили восемь секций регулируемых створок. Какова практическая польза от данного новшества неизвестно, но диссертацию кто-то написал - это точно. МиГ-21бис и по сей день состоит на вооружении ВВС ряда стран.